Formación, regulación e influencia en las propiedades de los huecos en AlN+

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El nitruro de aluminio (AlN), como material clave para semiconductores de banda prohibida amplia, ha mostrado un gran potencial para aplicaciones en dispositivos electrónicos ultravioleta profundo y dispositivos electrónicos de potencia de alta frecuencia. Sin embargo, la alta densidad de dislocaciones y el estrés residual causado por el crecimiento heteroepitaxial restringen gravemente el desarrollo posterior del rendimiento del dispositivo. En los últimos años, los estudios han encontrado que la introducción de huecos en AlN mediante recocido a alta temperatura y otros métodos tiene efectos significativos y complejos sobre la calidad del cristal y las propiedades ópticas del material.

1. Mecanismo de formación de vacíos

La formación de huecos está estrechamente relacionada con la evolución de defectos cristalinos. Ben y col. Descubrieron que durante el proceso de recocido a alta temperatura de PVD-AlN, las dislocaciones con vectores de Burgers opuestos se atraerán y reaccionarán entre sí bajo conducción térmica. Los cálculos de primeros principios muestran que cuando dos líneas de dislocación se fusionan para formar una cavidad, la energía del sistema se puede reducir en 5,93 eV y solo es necesario superar una barrera de energía de 1,34 eV, lo que indica que este proceso es muy ventajoso en términos de energía. A medida que aumenta la temperatura de recocido, la fusión de las dislocaciones se vuelve más completa y el tamaño de los huecos también aumenta, lo que es consistente con los resultados observados en experimentos donde el tamaño de los huecos después del recocido a 1700 °C es mayor que después del recocido a 1500 °C. Los experimentos han demostrado que el recocido a alta temperatura es un medio eficaz para inducir la formación de huecos.

Fig. 1 Formación de huecos y mecanismo de agregación de dislocaciones en PVD-AlN: (a) Imagen HRTEM de la sección transversal de la muestra no recocida, no se observaron huecos; (b) Se formaron huecos hexagonales regulares en la capa de PVDF AlN después del recocido a 1700 °C; (c), (g) el resultado de FFT de la región seleccionada, y las dislocaciones están marcadas en (d) – (f) y (h) – (j)

2. Mejora de la calidad del cristal de AlN mediante huecos

El proceso de formación de huecos es en sí mismo un mecanismo eficaz para la aniquilación de las dislocaciones. La investigación de Ben et al. indica claramente que los huecos proporcionan puntos de terminación en la superficie interna para las dislocaciones, reduciendo la densidad de las dislocaciones penetrantes que se propagan hacia la superficie. Este efecto es extremadamente significativo y la investigación ha demostrado que después del recocido a alta temperatura a 1700 °C, la densidad de dislocación del PVDF AlN disminuye drásticamente de 2,78 × 10⁹cm⁻²antes del recocido a 5,39 × 10⁶cm^-2.

Otro estudio demostró además la mejora de la calidad del cristal inducida por los huecos inducidos por el recocido a alta temperatura mediante la introducción de una estructura de capa intermedia de AlN. Después de introducir con éxito huecos alrededor de la capa intermedia, la densidad de dislocación disminuyó de 5,26 × 10⁹cm^-2a 5,10 × 10⁸cm^-2. Vale la pena señalar que, aunque una gran cantidad de dislocaciones se agrupan en el borde de la cavidad, el análisis de fase geométrica muestra que el estado de deformación alrededor de la cavidad no es significativamente diferente de otras áreas de la muestra, lo que indica que la agrupación de dislocaciones de signos opuestos cancela sus respectivos campos de deformación y no introduce distorsiones adicionales de la red.

3. Impacto de los huecos en el rendimiento óptico de AlN

Los huecos también tienen importantes efectos negativos. Nagata et al. Descubrieron que las regiones vacías son propensas a capturar impurezas como carbono y oxígeno, e incluso en condiciones de crecimiento consistentes en toda la capa de AlN, sus concentraciones son significativamente más altas. Esto se atribuye principalmente a que las ricas caras no c dentro de la cavidad (como {10-12}, {11-22}) tienen una mayor tendencia a la adsorción de impurezas. Estas impurezas (especialmente oxígeno) pueden formar centros de defectos compuestos como VAL(ON)n con vacantes de aluminio, introduciendo niveles de energía profundos en la banda prohibida y conduciendo al fenómeno dominante de absorción de luz de los complejos de Al-O. El espectro de transmisión muestra que la transmitancia de AlN con huecos de alrededor de 280 nm es significativamente menor que la de la muestra sin huecos. Sin embargo, en sustratos de zafiro estampados, el problema de la absorción de luz es particularmente importante debido al mayor tamaño de los huecos y a las mayores concentraciones de impurezas.

Fig. 2 Enriquecimiento de impurezas y absorción óptica en la región vacía: (a) Imagen transversal de HAADF-STEM, que muestra la formación de huecos de aire con múltiples planos cristalinos en la capa amortiguadora inicial de una plantilla de AIN convencional; (b) El perfil de profundidad de SIMS muestra claramente picos significativos en la concentración de impurezas de carbono (C) y oxígeno (O) en la región de crecimiento inicial con huecos presentes.

4. Construcción controlable de huecos y estrategias de optimización del rendimiento para AlN

Para equilibrar la contradicción entre reducir las dislocaciones e introducir la absorción de luz a través de los huecos, los investigadores han desarrollado dos caminos tecnológicos principales. Ben y col. propuso incrustar una capa intermedia de temperatura media en plantillas de AlN cultivadas por MOCVD. Después del recocido a 1700°C, los huecos se confinaron con precisión alrededor de la capa intermedia, ubicada aproximadamente a 1/3 del espesor de la interfaz, logrando control espacial de los huecos y sentando las bases para la "ingeniería de vacíos".

On the other hand, Nagata et al. prepared AlN templates without voids by optimizing growth conditions, fundamentally avoiding the enrichment of impurities at the voids and reducing oxygen and carbon concentrations to 3×10¹⁶ cm⁻³ and 1.5 × 10¹⁶  cm⁻³, respectively, significantly improving the transmittance in the deep ultraviolet band. In addition, adjusting the V/III ratio can also regulate the morphology and density of voids, thereby affecting impurity doping and optical properties.

La formación de huecos se debe a la atracción y fusión de dislocaciones a altas temperaturas, que pueden aniquilar eficazmente las dislocaciones, liberar tensiones y mejorar significativamente la calidad del cristal de AlN. Sin embargo, la superficie hueca es propensa a capturar impurezas y formar defectos de nivel profundo, lo que conduce a la absorción de rayos UV y representa una amenaza para el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos. Por lo tanto, una comprensión profunda y una manipulación precisa de los huecos serán un vínculo clave para promover el desarrollo de materiales de AlN de alta calidad y sus dispositivos de alto rendimiento.

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Referencias:

1. Ben, J., Shi, Z., Zang, H., Sun, X., Liu, X., Lü, W. y Li, D. (2020). El mecanismo de formación de huecos en la epicapa de AlN depositada por vapor físico durante el recocido a alta temperatura. Cartas de Física Aplicada, 116(25).
2. Ben, J., Luo, J., Lin, Z., Sun, X., Liu, X. y Li, X. (2022). Introducir huecos alrededor de la capa intermedia de AlN mediante recocido a alta temperatura. Física china B, 31 (7), 076104.
3. Nagata, K., Makino, H., Yamamoto, T., Saito, Y. y Miki, H. (2019). Origen de la absorción óptica en AlN con huecos de aire. Revista japonesa de física aplicada, 58 (SC), SCCC29.